巢湖富營(yíng)養(yǎng)化與環(huán)境演變的地球化學(xué)沉積記錄

吳 立 計(jì) 超 張夢(mèng)翠 張?jiān)娞?/p>

?

巢湖富營(yíng)養(yǎng)化與環(huán)境演變的地球化學(xué)沉積記錄

吳 立 計(jì) 超 張夢(mèng)翠 張?jiān)娞?/p>

通過(guò)對(duì)巢湖西湖區(qū)中心采集的湖泊沉積物柱狀巖芯（CH）樣品的有機(jī)碳同位素（δ13Corg）、氮同位素（δ15N）、總有機(jī)碳（TOC）、總氮（TN）和碳氮比（C/N）值含量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定，并利用氮同位素與C/N值的比較，探討了不同深度有機(jī)質(zhì)及其氮素的來(lái)源，進(jìn)而分析巢湖湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化與環(huán)境演變過(guò)程。結(jié)果表明，湖泊沉積物TOC來(lái)源主要是以利用與大氣保持平衡的依靠水中溶解CO2為碳源的浮游植物為主，且TOC記錄較好反映了兩百多年來(lái)巢湖流域較大的洪澇事件；TN高低在1960s之前主要受水土流失影響，之后受到人類活動(dòng)影響更加明顯；1960s以前湖泊營(yíng)養(yǎng)來(lái)源以自生有機(jī)質(zhì)為主，1950s～1970s湖泊初級(jí)生產(chǎn)力明顯提高，富營(yíng)養(yǎng)化開(kāi)始，1970s以后由于巢湖閘建成，原本半封閉的巢湖，湖水的更替更加緩慢，湖中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)富集更加迅速，湖泊初級(jí)生產(chǎn)力迅速提高，富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程進(jìn)一步加劇，其中人類生產(chǎn)、生活產(chǎn)生的外源輸入是重要的影響因素。

湖泊的自然演化和它受人類活動(dòng)影響的演變信息不僅可以作為了解湖泊變化過(guò)程的依據(jù)，更可以用來(lái)預(yù)測(cè)湖泊未來(lái)的變化趨勢(shì)。已有研究表明，湖泊沉積物具有連續(xù)性好、沉積速率大、分辨率高和信息豐富的特點(diǎn)，可以用于推演過(guò)去的湖泊富營(yíng)養(yǎng)變化和氣候變化過(guò)程。同時(shí)，湖泊還是生態(tài)系統(tǒng)古環(huán)境歷史重建最有效的手段之一，利用沉積物的總有機(jī)碳（TOC）、總氮（TN）、有機(jī)碳同位素（δ13Corg）和氮同位素（δ15N）的變化可以判斷沉積物形成時(shí)的古環(huán)境演變歷史，不同種類植物光合作用所利用的碳源存在差別而出現(xiàn)同位素分餾，湖泊沉積物δ13Corg組成可用于指示湖泊有機(jī)質(zhì)來(lái)源、湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及湖泊初級(jí)生產(chǎn)力變化，而氮同位素δ15N也是鑒別湖泊沉積物中氮來(lái)源的有效手段。碳氮比（C/N）值也被廣泛用于指示湖泊沉積物中不同來(lái)源的有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)。

巢湖位處安徽省合肥市省會(huì)經(jīng)濟(jì)圈的中心區(qū)域，近年來(lái)多次暴發(fā)藍(lán)藻水華，這與湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化及其環(huán)境演變過(guò)程息息相關(guān)。本文通過(guò)對(duì)巢湖西湖區(qū)中心采集的湖泊沉積物柱狀巖芯（CH）樣品有機(jī)碳同位素（δ13Corg）、氮同位素（δ15N）、總有機(jī)碳（TOC）、總氮（TN）以及碳氮比（C/N）值含量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定，利用氮同位素與C/N值的比較，探討不同深度有機(jī)質(zhì)及其氮素來(lái)源，進(jìn)而分析巢湖湖泊富營(yíng)養(yǎng)化與近現(xiàn)代的環(huán)境演變過(guò)程，從而更好地為當(dāng)今巢湖富營(yíng)養(yǎng)化治理與區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供參考與科學(xué)依據(jù)。

材料與方法

巢湖概況

巢湖位于長(zhǎng)江下游安徽省中部，是合肥市的重要水源地，也是我國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化最嚴(yán)重的三大湖泊之一。湖泊總面積760 km2，東西長(zhǎng)54.5 km，南北平均寬15.1 km，平均水深2.4 m；風(fēng)浪擾動(dòng)作用強(qiáng)烈，入湖河流攜帶大量泥沙，湖水總懸浮物含量高，藍(lán)藻發(fā)育，透明度低，湖泊基底是晚更新世的下蜀黃土層，上部的現(xiàn)代沉積物厚度約為50～100 cm。近百年來(lái)隨著流域農(nóng)業(yè)和城市化的發(fā)展，巢湖的湖泊富營(yíng)養(yǎng)程度不斷加劇，1962年巢湖市西南出口處建成巢湖閘使得湖水滯留時(shí)間顯著增加，匯水盆地中污染物大量排入湖中，周邊城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展使得湖泊水體受到更為嚴(yán)重的污染，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度不斷加強(qiáng)，藍(lán)藻水華問(wèn)題日益嚴(yán)峻，為此政府不斷加強(qiáng)對(duì)巢湖湖泊污染的治理，“十二五”期間巢湖流域水污染防治項(xiàng)目達(dá)167個(gè)，投資總額達(dá)113億元。

樣品采集與實(shí)驗(yàn)方法

在前期調(diào)查的基礎(chǔ)上選擇巢湖淤泥質(zhì)沉積厚度較大的西湖區(qū)31°33′44.6″N，117°23′39.4″E位置（圖1），利用船只搭建水上作業(yè)平臺(tái)，使用荷蘭Eijkelkamp公司生產(chǎn)的Beeker型沉積物采樣器獲取一根87 cm長(zhǎng)湖泊沉積物柱狀短芯，而后用PVC管對(duì)巖芯進(jìn)行密封保存，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室采取低溫存放以防止樣品氧化。為達(dá)到較高分辨率的要求，樣品處理首先對(duì)采集的巖芯進(jìn)行拍照和巖性描述，再每隔1 cm進(jìn)行樣品分割取樣。整個(gè)巖芯主要是青灰色粉砂，其中，深度0～25 cm主要為青灰色細(xì)粉砂，25～87 cm為青灰色中粉砂偶夾細(xì)粉砂層。

樣品碳氮地球化學(xué)分析在中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成（表1）。首先，將樣品加入5%的稀鹽酸多次攪拌后在低溫水浴環(huán)境下靜置至少3h，以便完全去除碳酸鹽；再將樣品置入離心管內(nèi)，用蒸餾水離心、清洗，使其呈中性，低溫干燥去除碳酸鹽的樣品后，研磨至粉末狀；之后取10 mg左右樣品通過(guò)EA3000型元素分析儀測(cè)定TOC和TN含量，誤差小于0.1%。碳氮比（C/N）根據(jù)質(zhì)量比乘以1.167計(jì)算獲得。有機(jī)質(zhì)碳同位素（δ13Corg）和氮同位素（δ15N）組成根據(jù)有機(jī)碳含量和氮含量稱取適量樣品，通過(guò)Delta Plus同位素質(zhì)譜儀測(cè)定，分析精度大于0.2‰，結(jié)果以VPDB標(biāo)準(zhǔn)表示。

圖1　巢湖湖泊沉積CH巖芯采樣點(diǎn)示意圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

巖芯年代框架

本次采集的CH湖泊巖芯位于2003年華東師范大學(xué)的AC2取樣點(diǎn)（31°33′31″N，117°24′17″E）附近，根據(jù)范斌采用的210Pb和137Cs比活度值，計(jì)算出AC2孔層位13 cm處應(yīng)指示的是1963年的沉積，平均沉積速率約為0.325 cm/ year。因此，我們便以AC2孔沉積速率為參考，計(jì)算得出CH巖芯是公元1738年以來(lái)的湖泊沉積。

表1　巢湖CH巖芯碳氮地球化學(xué)環(huán)境代用指標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

碳氮地球化學(xué)指標(biāo)分析

根據(jù)表1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合圖2反映的δ15N、δ13Corg、TOC、TN和C/N值隨深度變化的趨勢(shì)分析，可以看出，δ15N的變化值在77 cm以下有逐漸的上升趨勢(shì)，在83 cm出現(xiàn)一個(gè)峰值，δ15N值到達(dá)4.01‰，在19～75 cm間δ15N值變化相對(duì)穩(wěn)定，δ15N值介于3.33‰～4.78‰之間，平均在4‰左右變化，在75 cm處δ15N值達(dá)到5.11‰。1～19 cm間δ15N值出現(xiàn)了大幅度變化，19～15 cm間δ15N值降低，5～15 cm之間迅速增加后又有降低趨勢(shì)。δ13Corg 在53 cm以下相對(duì)穩(wěn)定，其值在-22.50‰上下波動(dòng)，變化幅度不大，1～53 cm巖芯δ13Corg值總體呈下降趨勢(shì)，0～9 cm部分δ13Corg值迅速減少。TOC值在29～85 cm間呈相對(duì)穩(wěn)定趨勢(shì)，71 cm時(shí)出現(xiàn)一個(gè)峰值，1～29 cm樣品TOC值呈階段性上升趨勢(shì)，分別在1～11 cm、13～19 cm、23～29 cm三階段上升，TOC最終增加到0.97%。TN在27 cm以下相對(duì)穩(wěn)定，TN值在0.04%～0.06%間變化，1～27 cm總氮含量不斷增加，1 cm處總氮含量達(dá)到了0.16%。C/ N值在69 cm以下有劇烈的變化，29～69 cm間變化幅度小，數(shù)值維持在5～10，1～29 cm出現(xiàn)小幅度劇烈變化后又處于穩(wěn)定階段。

圖2　巢湖CH巖芯碳氮地球化學(xué)環(huán)境代用指標(biāo)變化

成巖作用分析

巢湖CH巖芯中的有機(jī)氮含量變化主要受兩種因素影響：一是物源及湖泊初始生產(chǎn)力因素，二是受到湖泊早期成巖作用的影響。早期成巖作用對(duì)于沉積物中化學(xué)元素的影響主要是沉積物有機(jī)質(zhì)13C的虧損，從而導(dǎo)致δ13Corg的降低；也有研究表明早期成巖作用中N會(huì)優(yōu)先礦化，有機(jī)質(zhì)的選擇性降解會(huì)致使C/N值的改變，藻類有機(jī)質(zhì)的降解使TN的含量降低，且符合指數(shù)衰減模式，進(jìn)一步導(dǎo)致C/N值增加。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析比較，早期C/N值在71 cm以下存在一個(gè)明顯的增加區(qū)間，存在上述描述的C/N值增加的條件，但是從TOC、TN、δ13Corg的對(duì)比分析可以看出，C/N值增加的原因主要是源于TOC含量的增加，TN含量并沒(méi)有發(fā)生顯著的指數(shù)減少表現(xiàn)，δ13Corg的變化在C/N值和TOC變化峰值時(shí)的前一階段處于穩(wěn)定數(shù)值，所以不存在沉積物13C的虧損和δ13Corg的降低。上述分析表明，早期的成巖作用不會(huì)影響巢湖CH巖芯中TOC和TN含量及C/N值，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可以用來(lái)指示沉積物有機(jī)質(zhì)的來(lái)源和湖泊的初始生產(chǎn)力，可以用來(lái)反映巢湖的富營(yíng)養(yǎng)化與環(huán)境演化過(guò)程。

討論

沉積物有機(jī)質(zhì)來(lái)源

湖泊沉積物中有機(jī)質(zhì)有兩種來(lái)源，分別為外源陸生植物和內(nèi)源水生植物，不同來(lái)源的有機(jī)質(zhì)的含量與形成有機(jī)質(zhì)的物源條件、搬運(yùn)條件和保存條件關(guān)系密切。因此，有機(jī)質(zhì)的來(lái)源判定及含量分析能有效的反映形成有機(jī)質(zhì)的外在條件。

湖泊沉積物的外源有機(jī)質(zhì)主要指的是陸生植物。根據(jù)光合作用的不同途徑，陸生植物主要分為三種：C3植物、C4植物和CAM植物。C3植物的δ13Corg值分布范圍為-37‰～-24‰， C4植物的δ13Corg值分布范圍為-19‰～-9‰，CAM植物δ13Corg值分布范圍介于C3和C4之間。內(nèi)源有機(jī)質(zhì)主要是來(lái)源于湖泊中動(dòng)植物在死亡后與陸源碎屑一起沉積形成的湖泊沉積物。水生植物按照它們?cè)诤粗械姆植嘉恢貌町悾煞譃橥λ参?、浮游植物和沉水植物三類。挺水植物直接利用空氣中的CO2作為碳源，與陸源C3植物具有很好的可比性，δ13Corg值分布范圍為-30‰～-24‰。沉水植物主要利用湖水中溶解的HCO3-作為碳源，變化范圍為-20‰～-12‰。浮游植物是指在水中以浮游方式生活的微小植物，如果浮游植物以水中溶解的與大氣保持平衡的CO2作為碳源，δ13Corg值與陸源C3植物相近，如果以湖水中的HCO3-為碳源，則δ13Corg值明顯較高。

湖泊沉積物C/N值可以大體判斷有機(jī)質(zhì)的來(lái)源是湖泊自生還是外源輸入為主。陸生維管植物主要含有纖維素，蛋白質(zhì)含量低，水中藻類植物主要含有蛋白質(zhì)，纖維素含量低。因此，根據(jù)巖芯的C/N值可以分析有機(jī)質(zhì)來(lái)源：藻類有機(jī)質(zhì)C/N值在3～8之間，陸生高等植物中C/N值約為20甚至更高，土壤有機(jī)質(zhì)的C/N在10～13。湖泊沉積物有機(jī)質(zhì)C/N值大于8通常認(rèn)為其受到了陸源和藻類有機(jī)質(zhì)的相互作用。

根據(jù)以上分析，結(jié)合圖2和表2可以發(fā)現(xiàn)，CH巖芯沉積物有機(jī)質(zhì)來(lái)源主要以湖泊自生為主，C/N值在樣品中大部分均低于8，只有部分層位間斷性的達(dá)到8～13范圍，71～77 cm部分出現(xiàn)了異常的大于13的階段，這一現(xiàn)象說(shuō)明巢湖CH巖芯沉積物大部分沉積時(shí)段有機(jī)質(zhì)的來(lái)源都以湖泊自生為主，部分年代由于極端洪澇事件等原因會(huì)出現(xiàn)水土流失，使得陸源有機(jī)質(zhì)大量進(jìn)入湖泊，δ15N和δ13Corg降低，C/N值升高。根據(jù)《巢湖地區(qū)簡(jiǎn)志》記載，清代296年中發(fā)生了大水55次，平均每5.4年一次。巖芯深度63 cm以下，約為19世紀(jì)中期之前，巢湖的δ13Corg和其它指標(biāo)數(shù)據(jù)變化頻繁，反映外源物質(zhì)的輸入較多。

上述分析可見(jiàn)，總體上湖泊中有機(jī)質(zhì)碳主要源于湖泊自生，且?guī)r芯δ13Corg值始終低于-20‰，表明在湖心CH樣點(diǎn)處，有機(jī)質(zhì)碳來(lái)源主要是以利用與大氣保持平衡的水中溶解CO2為碳源的浮游植物為主。

氮的來(lái)源及其富營(yíng)養(yǎng)化指示意義

含氮物質(zhì)來(lái)源不同，δ15N會(huì)發(fā)生改變，可以用來(lái)反映氮同位素的來(lái)源。不同物質(zhì)來(lái)源，δ15N含量不同，土壤流失氮的δ15N值在2‰～4‰之間，人工合成肥料δ15N值在-4‰～4‰之間，污水δ15N值在10‰～20‰之間，大氣沉降NO3-的δ15N值在0.2‰～0.8之間。

結(jié)合以上δ15N的指示意義和圖2、表1的分析可以看出，巢湖CH巖芯21 cm以下沉積物δ15N值變化不明顯，δ15N平均值約為3.8‰，表明在20世紀(jì)60年代以前，巢湖湖心沉積物氮素主要來(lái)源于水土流失。在3～19 cm階段，巖芯δ15N值變化明顯，平均值約為4.45‰，其它數(shù)據(jù)也發(fā)生較為顯著的變化，TN和TOC含量迅速增加，δ13Corg值迅速降低，表明沉積物受外源影響強(qiáng)烈，人工合成肥料等外源輸入使得氮素含量增加。0～3 cm處δ15N值發(fā)生了下降，平均為2.16‰。

根據(jù)表1和圖2的數(shù)據(jù)，綜合以上討論分析，可以看出，巢湖湖心CH樣點(diǎn)的沉積環(huán)境變化主要分為五個(gè)階段。深度63 cm以下為第一階段，這一階段按照沉積速率約為19世紀(jì)中期之前，巢湖的沉積物受外源影響強(qiáng)烈，各地球化學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)波動(dòng)變化大，依據(jù)資料可以推論其主要是極端洪澇災(zāi)害事件造成的，且這一段時(shí)期的總氮和氮同位素的含量都相對(duì)偏低，說(shuō)明湖泊初級(jí)生產(chǎn)力較低；第二階段為深度25～63 cm（19世紀(jì)50年代到20世紀(jì)50年代），這一階段的湖泊受外源影響較少，各指標(biāo)相對(duì)穩(wěn)定，外源輸入較少，說(shuō)明該階段人類對(duì)湖泊的影響較小，湖泊仍處于初級(jí)生產(chǎn)力較低的階段；第三階段為17～25 cm（20世紀(jì)50年代到70年代），δ15N、TN、TOC在總體上都出現(xiàn)了增大，結(jié)合氮來(lái)源的分析，說(shuō)明了外源輸入開(kāi)始增加，湖泊初級(jí)生產(chǎn)力開(kāi)始提高，湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程開(kāi)始，δ13Corg值出現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，說(shuō)明水體的富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致浮游植物開(kāi)始生長(zhǎng)，因?yàn)楦∮沃参锏纳L(zhǎng)利用空氣中富含12C的CO2導(dǎo)致δ13Corg下降，而且C/N值的下降也表明浮游植物貢獻(xiàn)比例增大，大型水生植物比例下降。第四階段為深度3～17 cm（20世紀(jì)70年代到20世紀(jì)末），這一階段TOC、TN和δ15N含量都迅速，表明湖泊的生產(chǎn)力大大提高，富營(yíng)養(yǎng)化程度進(jìn)一步加劇，浮游植物被迫利用和富集15N，δ15N值增加，生產(chǎn)力增加，同時(shí)，δ13Corg值的減小說(shuō)明1962年巢湖閘建成使C/N循環(huán)發(fā)生改變，碳氮來(lái)源分離，氮源需求量增加，富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)一步促進(jìn)藻類生長(zhǎng)，使得有機(jī)質(zhì)分解作用增強(qiáng)，產(chǎn)生更多的CO2被藻類利用，從而導(dǎo)致了δ13Corg的降低。第五階段為0～3 cm（20世紀(jì)末期至今），數(shù)據(jù)較少，但可以看出TOC 和TN含量都在增加，δ15N出現(xiàn)了明顯的下降，說(shuō)明巢湖已經(jīng)處于富營(yíng)養(yǎng)化階段。

結(jié)語(yǔ)

1）巢湖湖泊沉積物中有機(jī)質(zhì)碳來(lái)源主要是以利用與大氣保持平衡的水中溶解CO2為碳源的浮游植物為主，且很好反映了兩百多年來(lái)的巢湖區(qū)域的較大洪澇事件。

2）巢湖湖泊沉積物總氮高低在20世紀(jì)60年代之前主要受水土流失的影響，之后受人類活動(dòng)的影響更加明顯，人工氮肥等對(duì)于巢湖沉積物中的氮元素影響比重增加。

3）巢湖在20世紀(jì)60年代之前處于相對(duì)穩(wěn)定的自然狀態(tài)，受人類影響相對(duì)較小，碳氮地球化學(xué)指標(biāo)的較大變化主要與自然界的極端洪澇災(zāi)害事件有關(guān)；該時(shí)期沉積物有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于水生浮游植物的死亡沉積，以湖泊自生有機(jī)質(zhì)為主，巢湖的湖泊生產(chǎn)力處于初級(jí)階段。20世紀(jì)50年代到70年代，湖泊的初級(jí)生產(chǎn)力提高，富營(yíng)養(yǎng)化開(kāi)始，湖泊受人類活動(dòng)的影響增大，可能與當(dāng)時(shí)中國(guó)進(jìn)行三大改造時(shí)期人類的生產(chǎn)、生活密切相關(guān)，人類的活動(dòng)加劇了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入，藻類生長(zhǎng)，富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程不容忽視。70年代以后主要是由于巢湖閘的建成，原本半封閉的巢湖，其湖水更替更加緩慢，湖中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)富集更加迅速，湖泊初級(jí)生產(chǎn)力迅速提高，富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程進(jìn)一步加劇，其中人類生產(chǎn)、生活產(chǎn)生的外源輸入也是重要的影響因素。

由結(jié)果可見(jiàn)，在整個(gè)剎車過(guò)程中溫差電單體的平均理想功率輸出大致處于30至40mW量級(jí)。另外，剎車余熱回收系統(tǒng)中熱電材料的輸出隨剎車熱流具有變化大、不穩(wěn)定的特點(diǎn)。由于機(jī)動(dòng)車剎車本身具有較大不確定性，因此欲實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用還需深入研究相應(yīng)的剎車統(tǒng)計(jì)規(guī)律、電路儲(chǔ)能和控制方案。

吳 立 計(jì) 超 張夢(mèng)翠 張?jiān)娞?/p>

安徽師范大學(xué)國(guó)土資源與旅游學(xué)院

吳立，男，博士，副教授，安徽師范大學(xué)國(guó)土資源與旅游學(xué)院，主要研究方向?yàn)楹闯练e與環(huán)境演變。

本文為國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：41401216）資助

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.004